固体酸化物形燃料電池セル及びその製造方法
【課題】固体酸化物形燃料電池の固体電解質の粉末化を抑制する。
【解決手段】Ｆｅを含むペロブスカイト型酸化物である空気極と、前記空気極に配置される空気極触媒層と、前記空気極触媒層に配置される固体電解質と、前記固体電解質に配置される燃料極と、を備え、前記空気極触媒層は少なくともＦｅを含むペロブスカイト型酸化物を有し、前記固体電解質は少なくともＳｃＳＺを含有する固体酸化物形燃料電池セルであって、前記固体電解質は前記燃料極が配置されていない露出部を備え、前記露出部にはＳｃＳＺが含有され、前記露出部のＳｃＳＺはリートベルト法で測定し、格子定数が０．５０７９９７ｎｍを超える部分を備えることを特徴とすることで、固体電解質の粉末化を抑制する。
【解決手段】Ｆｅを含むペロブスカイト型酸化物である空気極と、前記空気極に配置される空気極触媒層と、前記空気極触媒層に配置される固体電解質と、前記固体電解質に配置される燃料極と、を備え、前記空気極触媒層は少なくともＦｅを含むペロブスカイト型酸化物を有し、前記固体電解質は少なくともＳｃＳＺを含有する固体酸化物形燃料電池セルであって、前記固体電解質は前記燃料極が配置されていない露出部を備え、前記露出部にはＳｃＳＺが含有され、前記露出部のＳｃＳＺはリートベルト法で測定し、格子定数が０．５０７９９７ｎｍを超える部分を備えることを特徴とすることで、固体電解質の粉末化を抑制する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物形燃料電池セル及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物形燃料電池に用いる固体電解質としては、高い酸素イオン伝導性や高い強度とともに、長時間、少なくとも４００００時間までその高い酸素イオン伝導性及び高強度を安定に維持することが重要である。
【０００３】
従来、固体酸化物形燃料電池の固体電解質として、安定化ジルコニアやランタンガレート、セリア含有酸化物が一般的に使用されている。例えば特許文献１では、Ｙ２Ｏ３及びＳｃ２Ｏ３を固溶させた安定化ジルコニアを用いることにより、ガス透過性がなく、かつ酸素イオン伝導性の高い固体電解質を得ている。
【特許文献１】特開２００４−８７４９０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし本発明者らの実験により、燃料極が配置されていない露出部にある固体電解質が長期の発電において粉末化することが分かった。本発明では、固体電解質の粉末化を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために、本発明の態様においては、Ｆｅを含むペロブスカイト型酸化物である空気極と、前記空気極に配置される空気極触媒層と、前記空気極触媒層に配置される固体電解質と、前記固体電解質に配置される燃料極と、を備え、前記空気極触媒層は少なくともＦｅを含むペロブスカイト型酸化物を有し、前記固体電解質は少なくともＳｃＳＺを含有する固体酸化物形燃料電池セルであって、前記固体電解質は前記燃料極が配置されていない露出部を備え、前記露出部にはＳｃＳＺが含有され、前記露出部のＳｃＳＺはリートベルト法で測定し、格子定数が０．５０７９９７ｎｍを超える部分を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、長期の発電において燃料極が配置されていない露出部にある固体電解質が粉末化を生じず、それによって発電性能及び耐久性の高い固体酸化物形燃料電池を提供することが可能になった。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下に本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【０００８】
本発明では、Ｆｅを含むペロブスカイト型酸化物である空気極と、前記空気極に配置される空気極触媒層と、前記空気極触媒層に配置される固体電解質と、前記固体電解質に配置される燃料極と、を備え、前記空気極触媒層は少なくともＦｅを含むペロブスカイト型酸化物を有し、前記固体電解質は少なくともＳｃＳＺを含有する固体酸化物形燃料電池セルであって、前記固体電解質は前記燃料極が配置されていない露出部を備え、前記露出部にはＳｃＳＺが含有され、前記露出部のＳｃＳＺはリートベルト法で測定し、格子定数が０．５０７９９７ｎｍを超える部分を備えることを特徴とする。
【０００９】
ジルコニアは室温では蛍石型面心立方晶が歪んだ単斜晶の構造をもつが、約１１７０℃で正方晶に、約２３７０℃で立方晶に相変態し、相変態に伴って体積が変化するため、固体酸化物形燃料電池に用いる場合、サーマルサイクルによって固体電解質にクラックが生じるおそれがある。そこで固体酸化物形燃料電池の固体電解質には、価数が２＋の金属あるいは価数が３＋をとりうる金属の酸化物を固溶させて正方晶や立方晶を室温まで安定に存在させたものを用いている。酸化物の固溶量によって、正方晶や立方晶、菱面体などの結晶構造をもつ安定化ジルコニアが得られる。一般的にはＹ２Ｏ３をドープしたジルコニアや、Ｓｃ２Ｏ３をドープしたジルコニアが用いられる。
【００１０】
本発明でいうＳｃＳＺとは、ｘＳｃ２Ｏ３（１−ｘ）ＺｒＯ２で表される、Ｓｃ２Ｏ３を固溶させた安定化ジルコニアである。酸素イオン伝導性及び／または焼結性を向上させるために、Ｓｃ２Ｏ３のほかに、ＣｅＯ２、Ｙ２Ｏ３などが含まれていても構わない。
【００１１】
ＳｃＳＺは特に酸素イオン伝導性が高いため、特に発電性能の高い固体酸化物形燃料電池を提供することが可能になる。
【００１２】
露出部の固体電解質に粉末化が生じると固体電解質の膜厚が減少し、気密性が低下する。格子定数が０．５０７９９７ｎｍを超えるＳｃＳＺを露出部の固体電解質に用いることにより粉末化を抑制することができるので、気密性を長期間保つことが可能になり、耐久性の高い固体酸化物形燃料電池セルを提供することができる。なお、露出部全域の固体電解質の格子定数が０．５０７９９７ｎｍを超えることが好ましい。
【００１３】
さらに、Ｆｅを含むペロブスカイト型酸化物を空気極に用いることにより、特に高い導電率を得ることができるため、出力性能の高い固体酸化物形燃料電池セルを提供できる。以上より、本発明によって、出力性能および耐久性の高い固体酸化物形燃料電池セルを提供することができる。
【００１４】
格子定数が０．５０７９９７ｎｍを超えるＳｃＳＺを固体電解質の露出部に用いることにより粉末化を抑制することができることの理由として、おそらく空気極触媒層の焼成中に空気極から空気極触媒層にＦｅが拡散し、固体電解質及び燃料極及びインターコネクターの焼成中に、空気極触媒層から固体電解質にＦｅが拡散するため、露出部の固体電解質のＳｃＳＺの格子定数が小さくなると考えられる。固体電解質へのＦｅ拡散によって、ＳｃＳＺの価数のバランスが崩れ結晶安定性が低下する、また固体電解質に電子伝導性が生じる、ことによって粉末化が促進されると推測される。
【００１５】
また、露出部の固体電解質のＳｃＳＺの格子定数が０．５１５４２１ｎｍ以下であれば、粉末化を抑制することができるので、気密性を長期間保つことが可能になり、耐久性の高い固体酸化物形燃料電池セルを提供することができる。
【００１６】
さらに、露出部の固体電解質のＳｃＳＺの格子定数は０．５１５２９１ｎｍ未満であることが好ましい。なぜなら、ＳｃＳＺにＹ２Ｏ３をドープすることによって焼結性が向上するが、Ｓｃ２Ｏ３とＹ２Ｏ３の固溶量の合計が１２モル％を超えると、立方晶のほかに菱面体晶が生成し酸素イオン伝導性が低下する恐れがあるためである。ＹはＺｒやＳｃに比べてイオン半径が大きいため、ドープ量の増加とともに格子定数が増加する。
【００１７】
Ｙ２Ｏ３を含まないＳｃＳＺの場合は、格子定数が０．５１０５２８ｎｍ未満であることが好ましい。なぜなら、Ｃｅなどイオン半径の大きい希土類元素をドープすることによっても格子定数が増加し結晶安定性が向上するが、５モル％以上ドープしても既に結晶相は十分に安定し、逆に酸素イオン伝導性が低下する恐れがあるためである。
【００１８】
本発明で利用できる固体酸化物形燃料電池について、以下に説明する。
【００１９】
固体酸化物形燃料電池である、円筒縦縞型の固体酸化物形燃料電池を図１に示す。空気極１上に固体電解質３、さらに固体電解質３の上にインターコネクター２と接触しないように燃料極４が構成されている。固体電解質は、燃料極が配置されていない露出部５を備える。発電に際して、空気極と固体電解質の界面で、空気極内部を流れてきた電子と外部の酸素が反応し、式（１）に示すように酸素イオンを生じる。この酸素イオンが固体電解質を通って燃料極に達し、燃料中の水素や一酸化炭素と酸素イオンが反応して水あるいは二酸化炭素と電子を生成する。これらの反応は（２）、（３）式で示される。
Ｏ２＋４ｅ− → ２Ｏ２− …（１）
Ｈ２＋Ｏ２− → Ｈ２Ｏ＋２ｅ− …（２）
ＣＯ＋Ｏ２− → ＣＯ２＋２ｅ− …（３）
【００２０】
本発明で利用できる固体酸化物形燃料電池とは、円筒縦縞型に限らない。円筒横縞型や扁平円筒型などを挙げることができる。
【００２１】
本発明でいうＦｅを含むペロブスカイト型酸化物である空気極とは、例えば（Ｌａ１−ｘＳｒｘ）ｚ（Ｆｅ１−ｙＮｉｙ）Ｏ３や（Ｌａ１−ｘＳｒｘ）ｚ（Ｆｅ１−ｙＣｏｙ）Ｏ３を挙げることができる。空気極は、ガス透過性が高く、導電率が高く、固体電解質との反応性が低いことが好ましい。Ｆｅを含むペロブスカイト型酸化物を空気極に用いることにより、特に高い導電率を得ることができるため、出力性能の高い固体酸化物形燃料電池セルを提供できる。
【００２２】
本発明でいう少なくともＦｅを含むペロブスカイト型酸化物を含む空気極触媒層は、例えば（Ｌａ１−ｘＳｒｘ）ｚ（Ｆｅ１−ｙＮｉｙ）Ｏ３／ＳｃＳＺ、（Ｌａ１−ｘＳｒｘ）ｚ（Ｆｅ１−ｙＮｉｙ）Ｏ３／Ｙ２Ｏ３を固溶させたＺｒＯ２（ＹＳＺ）、（Ｌａ１−ｘＳｒｘ）ｚ（Ｆｅ１−ｙＮｉｙ）Ｏ３／セリウム含有酸化物、（Ｌａ１−ｘＳｒｘ）ｚ（Ｆｅ１−ｙＮｉｙ）Ｏ３／ＳｃＳＺ／セリウム含有酸化物、（Ｌａ１−ｘＳｒｘ）ｚ（Ｆｅ１−ｙＮｉｙ）Ｏ３／ＹＳＺ／セリウム含有酸化物、（Ｌａ１−ｘＳｒｘ）ｚ（Ｆｅ１−ｙＮｉｙ）Ｏ３／ランタンガレート、（Ｌａ１−ｘＳｒｘ）ｚ（Ｆｅ１−ｙＣｏｙ）Ｏ３／ＳｃＳＺ、（Ｌａ１−ｘＳｒｘ）ｚ（Ｆｅ１−ｙＣｏｙ）Ｏ３／ＹＳＺ、（Ｌａ１−ｘＳｒｘ）ｚ（Ｆｅ１−ｙＣｏｙ）Ｏ３／セリウム含有酸化物、（Ｌａ１−ｘＳｒｘ）ｚ（Ｆｅ１−ｙＣｏｙ）Ｏ３／ＳｃＳＺ／セリウム含有酸化物、（Ｌａ１−ｘＳｒｘ）ｚ（Ｆｅ１−ｙＣｏｙ）Ｏ３／ＹＳＺ／セリウム含有酸化物、（Ｌａ１−ｘＳｒｘ）ｚ（Ｆｅ１−ｙＣｏｙ）Ｏ３／ランタンガレートなどを用いることができる。本発明における空気極触媒層の役割は、固体酸化物形燃料電池の空気雰囲気下で（１）の反応を効率良く行うことである。このためには、空気極触媒層としては、少なくとも酸素ガスをイオン化する触媒を含み、固体電解質材料との熱膨張係数が近く、固体電解質及び空気極との反応性が低い材料であり、連通した気孔を有することが好ましい。反応効率を向上させるためには、細孔径が小さく、空隙率が大きいことが好ましい。
【００２３】
本発明で利用できる固体電解質は、酸素イオン伝導性が高いこと、気密性に優れること、機械的強度に優れること、材料安定性に優れることが好ましい。固体電解質は複数の層から形成されていてもかまわない。例えば、ＳｃＳＺとＹＳＺなどの２層構造や、ＳｃＳＺとＹＳＺとＳｃＳＺなどの３層構造とすることによって、高い気密性と高い酸素イオン伝導性を得ることができる。また、固体電解質と空気極触媒層の密着性を向上させるために、固体電解質にＦｅ２Ｏ３を添加しても構わない。
【００２４】
本発明で利用できる燃料極は、ガス透過性が高く、導電率が高いものが好ましい。この観点からＮｉ合金やＣｏ合金、Ｎｉ−Ｃｏ合金、Ｎｉ／ＹＳＺ、Ｎｉ／ＳｃＳＺ、Ｎｉ／カルシア安定化ジルコニア、Ｎｉ／セリウム含有酸化物などが用いられる。また、燃料極は複数の層から形成されてもかまわない。例えば、Ｎｉ／ＹＳＺなどのコンポジット材料の割合を傾斜させたものを挙げることができる。燃料極を傾斜構造とすることにより、より高い発電性能を得ることができる。
【００２５】
本発明で利用できるインターコネクターは、空気極と電気的に接続されており、酸化雰囲気と還元雰囲気どちらにおいても安定であり、導電率が高く、気密性に優れているものが好ましい。この観点からランタンクロマイトが好ましい。ランタンクロマイトは難焼結性であるため固体酸化物形燃料電池セルの焼成温度でガス透過性のないインターコネクターを作製することが難しい。焼結性を向上させるためにＣａ、Ｓｒ、Ｍｇを固溶させて用いることが好ましい。焼結性が最も高く、固体酸化物形燃料電池の他材料と同程度の温度でガス透過性のない膜を作製できるという点からＣａを固溶させたものが最も好ましい。Ｃａの固溶量については特に限定はない。Ｃａ固溶量が多いほど導電率が高くなるが、材料の安定性が低下することからＣａの固溶量としては１０〜４０ｍｏｌ％程度が好ましい。
【００２６】
本発明で利用できる固体電解質は、焼成法で作製することができる。焼成法はＣＶＤ法や溶射法に比べ製造コストが安い利点がある。焼成により空気極及び空気極触媒層からＦｅが拡散したＳｃＳＺを含む固体電解質の露出部が得られる。
【００２７】
露出部の固体電解質が粉末化することによって、固体電解質が薄膜化したり、孔が形成されて気密性や強度が低下する。気密性が低下した結果、空気極と燃料ガスが反応して空気極が還元膨張をおこし、最悪の場合固体酸化物形燃料電池セルが破損する。本発明者らの実験では、固体電解質の膜厚が１０μｍ以下になると固体酸化物形燃料電池セルが破損する状況が観察された。走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）観察による分析を行ったところ空気極の微構造が変化しており、還元膨張が起こったことが分かった。さらに、粉末化によって酸素イオン伝導性が低下し、固体酸化物形燃料電池セルの出力が低下することが推測される。
【００２８】
ここでいう膜厚とは、固体酸化物形燃料電池セルの破断面を走査型電子顕微鏡日立ハイテクノロジーズ製Ｓ−４１００によって観察したものである。
【実施例】
【００２９】
以下に本発明の実施例を説明する。なお、当然のことであるが本発明は以下の実施例に限定されるものではない。以下の実施例１、２、３、４、５、６及び比較例１において、焼成温度は、熱履歴センサ（（財）ファインセラミックセンター製リファサーモ）の値である。
（実施例１）
【００３０】
（１）空気極の作製：
空気極は、Ｌａ０．９５Ｓｒ０．０５Ｎｉ０．５Ｆｅ０．５Ｏ３組成で表され、共沈法で作製後熱処理して空気極原料粉末を得た。押出成形法によって円筒状成形体を作製した。さらに、１５００℃で焼結を行い、空気極とした。
【００３１】
（２）空気極触媒層の作製：
空気極触媒層としては、Ｌａ０．９５Ｓｒ０．０５Ｎｉ０．５Ｆｅ０．５Ｏ３／８９ｍｏｌ％ＺｒＯ２-１０ｍｏｌ％Ｓｃ２Ｏ３-１ｍｏｌ％ＣｅＯ２=５０／５０を用いた。Ｌａ、Ｓｒ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｚｒ、Ｓｃ及びＣｅの各々の硝酸塩水溶液を用いて、前記組成になるように調合した後、シュウ酸を加え沈殿させた。該沈殿物と上澄み液を乾燥し、さらに熱処理し、粒子径を制御した後原料粉末を得た。該空気極触媒層粉末４０重量部と溶媒（エタノール）１００重量部、バインダー（エチルセルロース）２重量部、分散剤（ポリオキシエチレンアルキルリン酸エステル）１重量部、消泡剤（ソルビタンセスキオレート）１重量部とを混合した後、十分撹拌してスラリーを調整した。前記スラリーを、空気極上にスラリーコート法で成膜した後に１３００℃で焼結させた。厚さは２０μｍであった。
【００３２】
（３）固体電解質（第一の層）のスラリー作製：
第一の層の材料はＳｃＳＺとし、該組成は８９ｍｏｌ％ＺｒＯ２-１０ｍｏｌ％Ｓｃ２Ｏ３-１ｍｏｌ％ＣｅＯ２とした。ＺｒＯ２を１００℃で加熱した３Ｎ以上の濃硝酸に溶解させ、蒸留水で希釈した後、硝酸塩水溶液を得た。Ｓｃ２Ｏ３、ＣｅＯ２についても同様の方法から硝酸塩水溶液を得た。各々の硝酸塩水溶液を前記組成になるように調合し、シュウ酸水溶液を加え、共沈させた。共沈して得られた沈殿物と上澄み液を２００℃程度で乾燥し、５００℃で熱分解、さらに８００℃で１０時間熱処理をして原料粉末を得た。該粉末の粒子径を、ＳＥＭ写真を用いてインターセプト法で測定した。具体的には、視野に粒子が１００個以上存在する倍率でＳＥＭ観察及び写真撮影を行い、サンプル数が１０以上、好ましくは２０以上となるように数枚のＳＥＭ写真より一定長さの直線上にある粒子径を測定し、その平均を算出した。原料粉末の平均粒子径は０．２μｍであった。該粉末４０重量部を溶媒（エタノール）１００重量部、バインダー（エチルセルロース）２重量部、分散剤（ポリオキシエチレンアルキルリン酸エステル）１重量部、消泡剤（ソルビタンセスキオレート）１重量部とを混合した後、十分攪拌してスラリーを調整した。
【００３３】
（４）固体電解質（第二の層）のスラリー作製：
第二の層の材料はＹＳＺとし、該組成は９０ｍｏｌ％ＺｒＯ２-１０ｍｏｌ％Ｙ２Ｏ３とした。ＺｒＯ２を１００℃で加熱した３Ｎ以上の濃硝酸に溶解させ、蒸留水で希釈した後、硝酸塩水溶液を得た。Ｙ２Ｏ３についても同様の方法から硝酸塩水溶液を得た。各々の硝酸塩水溶液を前記組成になるように調合し、シュウ酸水溶液を加え、共沈させた。共沈して得られた沈殿物と上澄み液を２００℃程度で乾燥し、５００℃で熱分解、さらに８００℃で１０時間熱処理をして原料粉末を得た。該粉末の粒子径を、ＳＥＭ写真を用いてインターセプト法で測定した。原料粉末の平均粒子径は０．２μｍであった。該粉末４０重量部と溶媒（エタノール）１００重量部、バインダー（エチルセルロース）２重量部、分散剤（ポリオキシエチレンアルキルリン酸エステル）１重量部、消泡剤（ソルビタンセスキオレート）１重量部とを混合した後、十分撹拌してスラリーを調整した。
【００３４】
（５）固体電解質（第三の層）のスラリー作製：
第三の層の材料はＳｃＳＺとし、該組成は８９ｍｏｌ％ＺｒＯ２-１０ｍｏｌ％Ｓｃ２Ｏ３-１ｍｏｌ％ＣｅＯ２とした。ＺｒＯ２を１００℃で加熱した３Ｎ以上の濃硝酸に溶解させ、蒸留水で希釈した後、硝酸塩水溶液を得た。Ｓｃ２Ｏ３、ＣｅＯ２についても同様の方法から硝酸塩水溶液を得た。各々の硝酸塩水溶液を前記組成になるように調合し、シュウ酸水溶液を加え、共沈させた。共沈して得られた沈殿物と上澄み液を２００℃程度で乾燥し、５００℃で熱分解、さらに８００℃で１０時間熱処理をして原料粉末を得た。該粉末の粒子径を、ＳＥＭ写真を用いてインターセプト法で測定した。原料粉末の平均粒子径は０．２μｍであった。該粉末４０重量部と溶媒（エタノール）１００重量部、バインダー（エチルセルロース）２重量部、分散剤（ポリオキシエチレンアルキルリン酸エステル）１重量部、消泡剤（ソルビタンセスキオレート）１重量部とを混合した後、十分撹拌してスラリーを調整した。
【００３５】
（６）固体電解質の作製
前記空気触媒層上に、まず第一の層をスラリーコート法で成膜した。続いて、第二の層をスラリーコート法で成膜し、さらに第三の層をスラリーコート法で成膜した。その後、１３００℃で焼結させた。得られた固体電解質膜の厚さは、３０μｍ（空気極側第一の層：１０μｍ、第二の層：１０μｍ、第三の層：１０μｍ）であった。なお、後工程でインターコネクターを成膜する部分についてはマスキングを施し、膜が塗布されないようにしておいた。
【００３６】
（７）燃料極のスラリー作製：
燃料極の材料はＮｉＯ/ＹＳＺとし、該組成は、ＮｉＯ/９０ｍｏｌ％ＺｒＯ２-１０ｍｏｌ％Ｙ２Ｏ３とした。Ｎｉ、Ｚｒ及びＹ各々の硝酸塩水溶液を用いて、前記組成になるように調合した後、シュウ酸を加え沈殿させた。該沈殿物と上澄み液を乾燥した後、さらに熱処理を施し、粒子径を制御した後原料を得た。組成及びその重量比率はＮｉＯ/９０ｍｏｌ％ＺｒＯ２-１０ｍｏｌ％Ｙ２Ｏ３=７０/３０とした。該粉末１００重量部と有機溶媒（エタノール）５００重量部、バインダー（エチルセルロース）２０重量部、分散剤(ポリオキシエチレンアルキルリン酸エステル)５重量部、消泡剤(ソルビタンセスオキオレート)１重量部、可塑剤(ＤＢＰ)５重量部を混合した後、十分撹拌してスラリーを調整した。
【００３７】
（８）燃料極の作製 ：
固体電解質上に燃料極をスラリーコート法により成膜した。膜厚（焼結後）は９０μｍとした。なお、インターコネクターを成膜する部分と、インターコネクターを成膜する部分の両側４mmずつにマスキングを施し、膜が塗布されないようにしておいた。インターコネクターを成膜する部分の両側４mmずつに成膜しなかったのはインターコネクターと燃料極が短絡しない構造にするためであり、この部分は電解質の露出部となる。さらに、燃料極を１３００℃で焼結させた。
【００３８】
（９）インターコネクターの作製：
インターコネクターをＬａ０.８０Ｃａ０.２０ＣｒＯ３で表されるＣａを固溶させたランタンクロマイトとした。噴霧熱分解法で作製後、熱処理を施して原料粉末を得た。該粉末４０重量部と溶媒(エタノール)１００重量部、バインダー（エチルセルロース）２重量部、分散剤(ポリオキシエチレンアルキルリン酸エステル)１重量部、消泡剤(ソルビタンセスキオレート)１重量部とを混合した後、十分撹拌してスラリーを調整した。スラリーコート法によりインターコネクターを成膜し、１３００℃で焼結させた。焼結後の厚みは４０μｍであった。
【００３９】
（実施例２）
固体電解質（第一の層）及び固体電解質（第二の層）及び固体電解質（第三の層）にＦｅ２Ｏ３を２ｗｔ％添加したこと以外、実施例１と同様にした。
【００４０】
（実施例３）
空気極触媒層の組成をＬａ０．９５Ｓｒ０．０５Ｎｉ０．５Ｆｅ０．５Ｏ３／９０ｍｏｌ％ＣｅＯ２-１０ｍｏｌ％Ｇｄ２Ｏ３＝５０／５０とし、固体電解質（第一の層）の組成を９０ｍｏｌ％ＣｅＯ２-１０ｍｏｌ％Ｇｄ２Ｏ３とし、固体電解質（第二の層）の組成を８９ｍｏｌ％ＺｒＯ２-１０ｍｏｌ％Ｓｃ２Ｏ３-１ｍｏｌ％ＣｅＯ２とし、固体電解質の焼成温度を１３５０℃としたこと以外、実施例１と同様にした。
【００４１】
（実施例４）
固体電解質（第一の層）及び固体電解質（第三の層）の組成を８５ｍｏｌ％ＺｒＯ２-１１ｍｏｌ％Ｓｃ２Ｏ３-４ｍｏｌ％ＣｅＯ２としたこと以外、実施例１と同様にした。
【００４２】
（実施例５）
固体電解質（第一の層）及び固体電解質（第三の層）の組成を８５ｍｏｌ％ＺｒＯ２-１０ｍｏｌ％Ｓｃ２Ｏ３-５ｍｏｌ％ＣｅＯとしたこと以外、実施例１と同様にした。
【００４３】
（実施例６）
固体電解質（第一の層）及び固体電解質（第三の層）の組成を２８６．９ｍｏｌ％ＺｒＯ２-１２ｍｏｌ％Ｙ２Ｏ３-１ｍｏｌ％Ｓｃ２Ｏ３-０．１ｍｏｌ％ＣｅＯ２としたこと以外、実施例１と同様にした。
【００４４】
（比較例１）
空気極触媒層の焼成温度を１４００℃とし、固体電解質の焼成温度を１５００℃とし、燃料極の焼成温度を１４００℃とし、インターコネクターの焼成温度を１４００℃としたこと以外、実施例１と同様にした。
【００４５】
（比較例２）
空気極の組成をＦｅが入っているＬａ０．９５Ｓｒ０．０５Ｎｉ０．５Ｆｅ０．５Ｏ３組成からＦｅが入っていないＬａ０．７５Ｓｒ０．２５ＭｎＯ３としたこと以外、実施例１と同様にした。
【００４６】
（格子定数測定）
実施例１、２、３、４、５、６及び比較例１、２で得られた固体酸化物形燃料電池セルの、燃料極が配置されていない露出部にある固体電解質の格子定数及び結晶相をリートベルト法により求めた。Ｘ線回折（ＸＲＤ）測定は、Ｘ線回折装置Ｘ’Ｐｅｒｔ ＰＲＯ ＭＰＤ（ＰＡＮａｌｙｔｉｃａｌ製）を用い、露出部の固体電解質の任意の５点について、測定範囲：１ｍｍ×１ｍｍ角、２θ＝２０〜８０°、ステップ幅：０．０５°、各ステップでの測定時間：４２４秒の条件で測定し、平均と標準偏差を求めた。またリートベルト法は、プログラムＲｉｅｔａｎ−２０００を用い、実施例１、２、３、４、５、６及び比較例１、２のＸＲＤパターンにおいて、立方晶の各ピークのカウント数が最大となる２θの値を用いて格子定数を決定した。
【００４７】
結晶相は、実施例１、２、３、４、５及び比較例１、２は立方晶であり、実施例６は立方晶のほかに菱面体晶が観察された。格子定数の平均値は、実施例１は０．５０９６１０ｎｍ、実施例２は０．５０９０３２ｎｍ、実施例３は０．５０９９６１ｎｍ、実施例４は０．５１０４０５ｎｍ、実施例５は０．５１０５７０ｎｍ、実施例６は０．５１５３５６ｎｍ、比較例１は０．５０７９４４ｎｍ、比較例２は０．５０９６１５ｎｍであった。標準偏差は、実施例１は０．００００３４、実施例２は０．００００８６、実施例３は０．００００５３、実施例４は０．００００６２、実施例５は０．００００４２、実施例６は０．００００６５、比較例１は０．００００５３、比較例２は０．００００７６であった。測定誤差は全ての実施例、全ての比較例で９×１０−９ｎｍ以下であった。
【表１】
【００４８】
（空気極の導電率評価）
実施例１及び比較例２について、空気極の導電率を評価するために以下のような実験を行なった。まず、各実験用試料の作製方法について以下に記載する。
【００４９】
（実施例１ａ）
空気極は、Ｌａ０．９５Ｓｒ０．０５Ｎｉ０．５Ｆｅ０．５Ｏ３組成で表され、共沈法で作製後熱処理して空気極原料粉末を得た。押出成形法によって円筒状成形体を作製した。さらに、１５００℃で焼結を行い、円筒型空気極とした。前記円筒型空気極を実験用試料とした。
【００５０】
（比較例２ａ）
空気極は、Ｌａ０．７５Ｓｒ０．２５ＭｎＯ３組成で表され、共沈法で作製後熱処理して空気極原料粉末を得た。押出成形法によって円筒状成形体を作製した。さらに、１５００℃で焼結を行い、円筒型空気極とした。前記円筒型空気極を実験用試料とした。
【００５１】
実施例１ａ及び比較例２ａの導電率について、次のように評価した。まず作製した実験用試料の両端表面にＰｔペーストを円周方向に一周塗布し、乾燥させて電流用電極とした。次に電流用電極から５ｍｍ距離をとった内側にＰｔペーストを円周方向に一周塗布し、乾燥させて電圧用電極とした。前記電流用電極上及び電圧用電極上にφ５ｍｍのＰｔ線を円周方向に一周巻きつけ、Ｐｔペーストを塗布し、乾燥後、１０００℃、１時間で焼付けることで電流端子及び電圧端子を取り付けた。前記実験用試料を９００℃、大気雰囲気の条件下にて、直流４端子法による導電率測定を行ない、（４）式より導電率を算出した。
σe＝L／A×（V／I） ・・・（４）
ここで、σeは導電率、Lは電位端子間距離、Aは試料の断面積、Vは電位、Iは電流を示す
。
【００５２】
導電率評価結果を表２に示す。表２より実施例１ａは比較例２ａに比べ導電率が２倍以上であることが確認された。導電率が高いほどインターコネクタを経由して流れてくる電子を効率よく空気極の円周方向に流すことができるので、出力性能に優れる、特には電流量の多くなる高電流密度領域での出力性能を向上させた固体酸化物形燃料電池セルを提供することができる。
【表２】
【００５３】
（粉末化の評価）
実施例１、２、３、４、５、６及び比較例１で得られた固体酸化物形燃料電池セルを用いて、温度：９００℃、燃料：Ｈ２＋３％Ｈ２Ｏ、酸化剤：空気、電流密度：０．２Ａ/ｃｍ２の条件で２００時間の発電試験を行った。発電試験後の固体酸化物形燃料電池セルの、燃料極が配置されていない露出部にある固体電解質の外観を室内で目視観察することによって、粉末化の評価を行った。実施例１、２、３、４、５、６では粉末化が見られなかった。比較例１は、露出部にある固体電解質の全域で粉末化が見られた。
【００５４】
すなわち、露出部の固体電解質の格子定数が、比較例１における平均値に標準偏差を足した値である０．５０７９９７ｎｍを超える場合は粉末化が見られなかった。また、実施例１、２、３、４、５、６のうち実施例６の露出部の固体電解質の格子定数が最大であり、実施例６における平均値に標準偏差を足した値である０．５１５４２１ｎｍ以下の場合に粉末化が見られなかった。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】円筒縦縞型の固体酸化物形燃料電池の断面を示す図である。
【符号の説明】
【００５６】
１…空気極
２…インターコネクター
３…固体電解質
４…燃料極
５…固体電解質の露出部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物形燃料電池セル及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物形燃料電池に用いる固体電解質としては、高い酸素イオン伝導性や高い強度とともに、長時間、少なくとも４００００時間までその高い酸素イオン伝導性及び高強度を安定に維持することが重要である。
【０００３】
従来、固体酸化物形燃料電池の固体電解質として、安定化ジルコニアやランタンガレート、セリア含有酸化物が一般的に使用されている。例えば特許文献１では、Ｙ２Ｏ３及びＳｃ２Ｏ３を固溶させた安定化ジルコニアを用いることにより、ガス透過性がなく、かつ酸素イオン伝導性の高い固体電解質を得ている。
【特許文献１】特開２００４−８７４９０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし本発明者らの実験により、燃料極が配置されていない露出部にある固体電解質が長期の発電において粉末化することが分かった。本発明では、固体電解質の粉末化を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために、本発明の態様においては、Ｆｅを含むペロブスカイト型酸化物である空気極と、前記空気極に配置される空気極触媒層と、前記空気極触媒層に配置される固体電解質と、前記固体電解質に配置される燃料極と、を備え、前記空気極触媒層は少なくともＦｅを含むペロブスカイト型酸化物を有し、前記固体電解質は少なくともＳｃＳＺを含有する固体酸化物形燃料電池セルであって、前記固体電解質は前記燃料極が配置されていない露出部を備え、前記露出部にはＳｃＳＺが含有され、前記露出部のＳｃＳＺはリートベルト法で測定し、格子定数が０．５０７９９７ｎｍを超える部分を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、長期の発電において燃料極が配置されていない露出部にある固体電解質が粉末化を生じず、それによって発電性能及び耐久性の高い固体酸化物形燃料電池を提供することが可能になった。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下に本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【０００８】
本発明では、Ｆｅを含むペロブスカイト型酸化物である空気極と、前記空気極に配置される空気極触媒層と、前記空気極触媒層に配置される固体電解質と、前記固体電解質に配置される燃料極と、を備え、前記空気極触媒層は少なくともＦｅを含むペロブスカイト型酸化物を有し、前記固体電解質は少なくともＳｃＳＺを含有する固体酸化物形燃料電池セルであって、前記固体電解質は前記燃料極が配置されていない露出部を備え、前記露出部にはＳｃＳＺが含有され、前記露出部のＳｃＳＺはリートベルト法で測定し、格子定数が０．５０７９９７ｎｍを超える部分を備えることを特徴とする。
【０００９】
ジルコニアは室温では蛍石型面心立方晶が歪んだ単斜晶の構造をもつが、約１１７０℃で正方晶に、約２３７０℃で立方晶に相変態し、相変態に伴って体積が変化するため、固体酸化物形燃料電池に用いる場合、サーマルサイクルによって固体電解質にクラックが生じるおそれがある。そこで固体酸化物形燃料電池の固体電解質には、価数が２＋の金属あるいは価数が３＋をとりうる金属の酸化物を固溶させて正方晶や立方晶を室温まで安定に存在させたものを用いている。酸化物の固溶量によって、正方晶や立方晶、菱面体などの結晶構造をもつ安定化ジルコニアが得られる。一般的にはＹ２Ｏ３をドープしたジルコニアや、Ｓｃ２Ｏ３をドープしたジルコニアが用いられる。
【００１０】
本発明でいうＳｃＳＺとは、ｘＳｃ２Ｏ３（１−ｘ）ＺｒＯ２で表される、Ｓｃ２Ｏ３を固溶させた安定化ジルコニアである。酸素イオン伝導性及び／または焼結性を向上させるために、Ｓｃ２Ｏ３のほかに、ＣｅＯ２、Ｙ２Ｏ３などが含まれていても構わない。
【００１１】
ＳｃＳＺは特に酸素イオン伝導性が高いため、特に発電性能の高い固体酸化物形燃料電池を提供することが可能になる。
【００１２】
露出部の固体電解質に粉末化が生じると固体電解質の膜厚が減少し、気密性が低下する。格子定数が０．５０７９９７ｎｍを超えるＳｃＳＺを露出部の固体電解質に用いることにより粉末化を抑制することができるので、気密性を長期間保つことが可能になり、耐久性の高い固体酸化物形燃料電池セルを提供することができる。なお、露出部全域の固体電解質の格子定数が０．５０７９９７ｎｍを超えることが好ましい。
【００１３】
さらに、Ｆｅを含むペロブスカイト型酸化物を空気極に用いることにより、特に高い導電率を得ることができるため、出力性能の高い固体酸化物形燃料電池セルを提供できる。以上より、本発明によって、出力性能および耐久性の高い固体酸化物形燃料電池セルを提供することができる。
【００１４】
格子定数が０．５０７９９７ｎｍを超えるＳｃＳＺを固体電解質の露出部に用いることにより粉末化を抑制することができることの理由として、おそらく空気極触媒層の焼成中に空気極から空気極触媒層にＦｅが拡散し、固体電解質及び燃料極及びインターコネクターの焼成中に、空気極触媒層から固体電解質にＦｅが拡散するため、露出部の固体電解質のＳｃＳＺの格子定数が小さくなると考えられる。固体電解質へのＦｅ拡散によって、ＳｃＳＺの価数のバランスが崩れ結晶安定性が低下する、また固体電解質に電子伝導性が生じる、ことによって粉末化が促進されると推測される。
【００１５】
また、露出部の固体電解質のＳｃＳＺの格子定数が０．５１５４２１ｎｍ以下であれば、粉末化を抑制することができるので、気密性を長期間保つことが可能になり、耐久性の高い固体酸化物形燃料電池セルを提供することができる。
【００１６】
さらに、露出部の固体電解質のＳｃＳＺの格子定数は０．５１５２９１ｎｍ未満であることが好ましい。なぜなら、ＳｃＳＺにＹ２Ｏ３をドープすることによって焼結性が向上するが、Ｓｃ２Ｏ３とＹ２Ｏ３の固溶量の合計が１２モル％を超えると、立方晶のほかに菱面体晶が生成し酸素イオン伝導性が低下する恐れがあるためである。ＹはＺｒやＳｃに比べてイオン半径が大きいため、ドープ量の増加とともに格子定数が増加する。
【００１７】
Ｙ２Ｏ３を含まないＳｃＳＺの場合は、格子定数が０．５１０５２８ｎｍ未満であることが好ましい。なぜなら、Ｃｅなどイオン半径の大きい希土類元素をドープすることによっても格子定数が増加し結晶安定性が向上するが、５モル％以上ドープしても既に結晶相は十分に安定し、逆に酸素イオン伝導性が低下する恐れがあるためである。
【００１８】
本発明で利用できる固体酸化物形燃料電池について、以下に説明する。
【００１９】
固体酸化物形燃料電池である、円筒縦縞型の固体酸化物形燃料電池を図１に示す。空気極１上に固体電解質３、さらに固体電解質３の上にインターコネクター２と接触しないように燃料極４が構成されている。固体電解質は、燃料極が配置されていない露出部５を備える。発電に際して、空気極と固体電解質の界面で、空気極内部を流れてきた電子と外部の酸素が反応し、式（１）に示すように酸素イオンを生じる。この酸素イオンが固体電解質を通って燃料極に達し、燃料中の水素や一酸化炭素と酸素イオンが反応して水あるいは二酸化炭素と電子を生成する。これらの反応は（２）、（３）式で示される。
Ｏ２＋４ｅ− → ２Ｏ２− …（１）
Ｈ２＋Ｏ２− → Ｈ２Ｏ＋２ｅ− …（２）
ＣＯ＋Ｏ２− → ＣＯ２＋２ｅ− …（３）
【００２０】
本発明で利用できる固体酸化物形燃料電池とは、円筒縦縞型に限らない。円筒横縞型や扁平円筒型などを挙げることができる。
【００２１】
本発明でいうＦｅを含むペロブスカイト型酸化物である空気極とは、例えば（Ｌａ１−ｘＳｒｘ）ｚ（Ｆｅ１−ｙＮｉｙ）Ｏ３や（Ｌａ１−ｘＳｒｘ）ｚ（Ｆｅ１−ｙＣｏｙ）Ｏ３を挙げることができる。空気極は、ガス透過性が高く、導電率が高く、固体電解質との反応性が低いことが好ましい。Ｆｅを含むペロブスカイト型酸化物を空気極に用いることにより、特に高い導電率を得ることができるため、出力性能の高い固体酸化物形燃料電池セルを提供できる。
【００２２】
本発明でいう少なくともＦｅを含むペロブスカイト型酸化物を含む空気極触媒層は、例えば（Ｌａ１−ｘＳｒｘ）ｚ（Ｆｅ１−ｙＮｉｙ）Ｏ３／ＳｃＳＺ、（Ｌａ１−ｘＳｒｘ）ｚ（Ｆｅ１−ｙＮｉｙ）Ｏ３／Ｙ２Ｏ３を固溶させたＺｒＯ２（ＹＳＺ）、（Ｌａ１−ｘＳｒｘ）ｚ（Ｆｅ１−ｙＮｉｙ）Ｏ３／セリウム含有酸化物、（Ｌａ１−ｘＳｒｘ）ｚ（Ｆｅ１−ｙＮｉｙ）Ｏ３／ＳｃＳＺ／セリウム含有酸化物、（Ｌａ１−ｘＳｒｘ）ｚ（Ｆｅ１−ｙＮｉｙ）Ｏ３／ＹＳＺ／セリウム含有酸化物、（Ｌａ１−ｘＳｒｘ）ｚ（Ｆｅ１−ｙＮｉｙ）Ｏ３／ランタンガレート、（Ｌａ１−ｘＳｒｘ）ｚ（Ｆｅ１−ｙＣｏｙ）Ｏ３／ＳｃＳＺ、（Ｌａ１−ｘＳｒｘ）ｚ（Ｆｅ１−ｙＣｏｙ）Ｏ３／ＹＳＺ、（Ｌａ１−ｘＳｒｘ）ｚ（Ｆｅ１−ｙＣｏｙ）Ｏ３／セリウム含有酸化物、（Ｌａ１−ｘＳｒｘ）ｚ（Ｆｅ１−ｙＣｏｙ）Ｏ３／ＳｃＳＺ／セリウム含有酸化物、（Ｌａ１−ｘＳｒｘ）ｚ（Ｆｅ１−ｙＣｏｙ）Ｏ３／ＹＳＺ／セリウム含有酸化物、（Ｌａ１−ｘＳｒｘ）ｚ（Ｆｅ１−ｙＣｏｙ）Ｏ３／ランタンガレートなどを用いることができる。本発明における空気極触媒層の役割は、固体酸化物形燃料電池の空気雰囲気下で（１）の反応を効率良く行うことである。このためには、空気極触媒層としては、少なくとも酸素ガスをイオン化する触媒を含み、固体電解質材料との熱膨張係数が近く、固体電解質及び空気極との反応性が低い材料であり、連通した気孔を有することが好ましい。反応効率を向上させるためには、細孔径が小さく、空隙率が大きいことが好ましい。
【００２３】
本発明で利用できる固体電解質は、酸素イオン伝導性が高いこと、気密性に優れること、機械的強度に優れること、材料安定性に優れることが好ましい。固体電解質は複数の層から形成されていてもかまわない。例えば、ＳｃＳＺとＹＳＺなどの２層構造や、ＳｃＳＺとＹＳＺとＳｃＳＺなどの３層構造とすることによって、高い気密性と高い酸素イオン伝導性を得ることができる。また、固体電解質と空気極触媒層の密着性を向上させるために、固体電解質にＦｅ２Ｏ３を添加しても構わない。
【００２４】
本発明で利用できる燃料極は、ガス透過性が高く、導電率が高いものが好ましい。この観点からＮｉ合金やＣｏ合金、Ｎｉ−Ｃｏ合金、Ｎｉ／ＹＳＺ、Ｎｉ／ＳｃＳＺ、Ｎｉ／カルシア安定化ジルコニア、Ｎｉ／セリウム含有酸化物などが用いられる。また、燃料極は複数の層から形成されてもかまわない。例えば、Ｎｉ／ＹＳＺなどのコンポジット材料の割合を傾斜させたものを挙げることができる。燃料極を傾斜構造とすることにより、より高い発電性能を得ることができる。
【００２５】
本発明で利用できるインターコネクターは、空気極と電気的に接続されており、酸化雰囲気と還元雰囲気どちらにおいても安定であり、導電率が高く、気密性に優れているものが好ましい。この観点からランタンクロマイトが好ましい。ランタンクロマイトは難焼結性であるため固体酸化物形燃料電池セルの焼成温度でガス透過性のないインターコネクターを作製することが難しい。焼結性を向上させるためにＣａ、Ｓｒ、Ｍｇを固溶させて用いることが好ましい。焼結性が最も高く、固体酸化物形燃料電池の他材料と同程度の温度でガス透過性のない膜を作製できるという点からＣａを固溶させたものが最も好ましい。Ｃａの固溶量については特に限定はない。Ｃａ固溶量が多いほど導電率が高くなるが、材料の安定性が低下することからＣａの固溶量としては１０〜４０ｍｏｌ％程度が好ましい。
【００２６】
本発明で利用できる固体電解質は、焼成法で作製することができる。焼成法はＣＶＤ法や溶射法に比べ製造コストが安い利点がある。焼成により空気極及び空気極触媒層からＦｅが拡散したＳｃＳＺを含む固体電解質の露出部が得られる。
【００２７】
露出部の固体電解質が粉末化することによって、固体電解質が薄膜化したり、孔が形成されて気密性や強度が低下する。気密性が低下した結果、空気極と燃料ガスが反応して空気極が還元膨張をおこし、最悪の場合固体酸化物形燃料電池セルが破損する。本発明者らの実験では、固体電解質の膜厚が１０μｍ以下になると固体酸化物形燃料電池セルが破損する状況が観察された。走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）観察による分析を行ったところ空気極の微構造が変化しており、還元膨張が起こったことが分かった。さらに、粉末化によって酸素イオン伝導性が低下し、固体酸化物形燃料電池セルの出力が低下することが推測される。
【００２８】
ここでいう膜厚とは、固体酸化物形燃料電池セルの破断面を走査型電子顕微鏡日立ハイテクノロジーズ製Ｓ−４１００によって観察したものである。
【実施例】
【００２９】
以下に本発明の実施例を説明する。なお、当然のことであるが本発明は以下の実施例に限定されるものではない。以下の実施例１、２、３、４、５、６及び比較例１において、焼成温度は、熱履歴センサ（（財）ファインセラミックセンター製リファサーモ）の値である。
（実施例１）
【００３０】
（１）空気極の作製：
空気極は、Ｌａ０．９５Ｓｒ０．０５Ｎｉ０．５Ｆｅ０．５Ｏ３組成で表され、共沈法で作製後熱処理して空気極原料粉末を得た。押出成形法によって円筒状成形体を作製した。さらに、１５００℃で焼結を行い、空気極とした。
【００３１】
（２）空気極触媒層の作製：
空気極触媒層としては、Ｌａ０．９５Ｓｒ０．０５Ｎｉ０．５Ｆｅ０．５Ｏ３／８９ｍｏｌ％ＺｒＯ２-１０ｍｏｌ％Ｓｃ２Ｏ３-１ｍｏｌ％ＣｅＯ２=５０／５０を用いた。Ｌａ、Ｓｒ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｚｒ、Ｓｃ及びＣｅの各々の硝酸塩水溶液を用いて、前記組成になるように調合した後、シュウ酸を加え沈殿させた。該沈殿物と上澄み液を乾燥し、さらに熱処理し、粒子径を制御した後原料粉末を得た。該空気極触媒層粉末４０重量部と溶媒（エタノール）１００重量部、バインダー（エチルセルロース）２重量部、分散剤（ポリオキシエチレンアルキルリン酸エステル）１重量部、消泡剤（ソルビタンセスキオレート）１重量部とを混合した後、十分撹拌してスラリーを調整した。前記スラリーを、空気極上にスラリーコート法で成膜した後に１３００℃で焼結させた。厚さは２０μｍであった。
【００３２】
（３）固体電解質（第一の層）のスラリー作製：
第一の層の材料はＳｃＳＺとし、該組成は８９ｍｏｌ％ＺｒＯ２-１０ｍｏｌ％Ｓｃ２Ｏ３-１ｍｏｌ％ＣｅＯ２とした。ＺｒＯ２を１００℃で加熱した３Ｎ以上の濃硝酸に溶解させ、蒸留水で希釈した後、硝酸塩水溶液を得た。Ｓｃ２Ｏ３、ＣｅＯ２についても同様の方法から硝酸塩水溶液を得た。各々の硝酸塩水溶液を前記組成になるように調合し、シュウ酸水溶液を加え、共沈させた。共沈して得られた沈殿物と上澄み液を２００℃程度で乾燥し、５００℃で熱分解、さらに８００℃で１０時間熱処理をして原料粉末を得た。該粉末の粒子径を、ＳＥＭ写真を用いてインターセプト法で測定した。具体的には、視野に粒子が１００個以上存在する倍率でＳＥＭ観察及び写真撮影を行い、サンプル数が１０以上、好ましくは２０以上となるように数枚のＳＥＭ写真より一定長さの直線上にある粒子径を測定し、その平均を算出した。原料粉末の平均粒子径は０．２μｍであった。該粉末４０重量部を溶媒（エタノール）１００重量部、バインダー（エチルセルロース）２重量部、分散剤（ポリオキシエチレンアルキルリン酸エステル）１重量部、消泡剤（ソルビタンセスキオレート）１重量部とを混合した後、十分攪拌してスラリーを調整した。
【００３３】
（４）固体電解質（第二の層）のスラリー作製：
第二の層の材料はＹＳＺとし、該組成は９０ｍｏｌ％ＺｒＯ２-１０ｍｏｌ％Ｙ２Ｏ３とした。ＺｒＯ２を１００℃で加熱した３Ｎ以上の濃硝酸に溶解させ、蒸留水で希釈した後、硝酸塩水溶液を得た。Ｙ２Ｏ３についても同様の方法から硝酸塩水溶液を得た。各々の硝酸塩水溶液を前記組成になるように調合し、シュウ酸水溶液を加え、共沈させた。共沈して得られた沈殿物と上澄み液を２００℃程度で乾燥し、５００℃で熱分解、さらに８００℃で１０時間熱処理をして原料粉末を得た。該粉末の粒子径を、ＳＥＭ写真を用いてインターセプト法で測定した。原料粉末の平均粒子径は０．２μｍであった。該粉末４０重量部と溶媒（エタノール）１００重量部、バインダー（エチルセルロース）２重量部、分散剤（ポリオキシエチレンアルキルリン酸エステル）１重量部、消泡剤（ソルビタンセスキオレート）１重量部とを混合した後、十分撹拌してスラリーを調整した。
【００３４】
（５）固体電解質（第三の層）のスラリー作製：
第三の層の材料はＳｃＳＺとし、該組成は８９ｍｏｌ％ＺｒＯ２-１０ｍｏｌ％Ｓｃ２Ｏ３-１ｍｏｌ％ＣｅＯ２とした。ＺｒＯ２を１００℃で加熱した３Ｎ以上の濃硝酸に溶解させ、蒸留水で希釈した後、硝酸塩水溶液を得た。Ｓｃ２Ｏ３、ＣｅＯ２についても同様の方法から硝酸塩水溶液を得た。各々の硝酸塩水溶液を前記組成になるように調合し、シュウ酸水溶液を加え、共沈させた。共沈して得られた沈殿物と上澄み液を２００℃程度で乾燥し、５００℃で熱分解、さらに８００℃で１０時間熱処理をして原料粉末を得た。該粉末の粒子径を、ＳＥＭ写真を用いてインターセプト法で測定した。原料粉末の平均粒子径は０．２μｍであった。該粉末４０重量部と溶媒（エタノール）１００重量部、バインダー（エチルセルロース）２重量部、分散剤（ポリオキシエチレンアルキルリン酸エステル）１重量部、消泡剤（ソルビタンセスキオレート）１重量部とを混合した後、十分撹拌してスラリーを調整した。
【００３５】
（６）固体電解質の作製
前記空気触媒層上に、まず第一の層をスラリーコート法で成膜した。続いて、第二の層をスラリーコート法で成膜し、さらに第三の層をスラリーコート法で成膜した。その後、１３００℃で焼結させた。得られた固体電解質膜の厚さは、３０μｍ（空気極側第一の層：１０μｍ、第二の層：１０μｍ、第三の層：１０μｍ）であった。なお、後工程でインターコネクターを成膜する部分についてはマスキングを施し、膜が塗布されないようにしておいた。
【００３６】
（７）燃料極のスラリー作製：
燃料極の材料はＮｉＯ/ＹＳＺとし、該組成は、ＮｉＯ/９０ｍｏｌ％ＺｒＯ２-１０ｍｏｌ％Ｙ２Ｏ３とした。Ｎｉ、Ｚｒ及びＹ各々の硝酸塩水溶液を用いて、前記組成になるように調合した後、シュウ酸を加え沈殿させた。該沈殿物と上澄み液を乾燥した後、さらに熱処理を施し、粒子径を制御した後原料を得た。組成及びその重量比率はＮｉＯ/９０ｍｏｌ％ＺｒＯ２-１０ｍｏｌ％Ｙ２Ｏ３=７０/３０とした。該粉末１００重量部と有機溶媒（エタノール）５００重量部、バインダー（エチルセルロース）２０重量部、分散剤(ポリオキシエチレンアルキルリン酸エステル)５重量部、消泡剤(ソルビタンセスオキオレート)１重量部、可塑剤(ＤＢＰ)５重量部を混合した後、十分撹拌してスラリーを調整した。
【００３７】
（８）燃料極の作製 ：
固体電解質上に燃料極をスラリーコート法により成膜した。膜厚（焼結後）は９０μｍとした。なお、インターコネクターを成膜する部分と、インターコネクターを成膜する部分の両側４mmずつにマスキングを施し、膜が塗布されないようにしておいた。インターコネクターを成膜する部分の両側４mmずつに成膜しなかったのはインターコネクターと燃料極が短絡しない構造にするためであり、この部分は電解質の露出部となる。さらに、燃料極を１３００℃で焼結させた。
【００３８】
（９）インターコネクターの作製：
インターコネクターをＬａ０.８０Ｃａ０.２０ＣｒＯ３で表されるＣａを固溶させたランタンクロマイトとした。噴霧熱分解法で作製後、熱処理を施して原料粉末を得た。該粉末４０重量部と溶媒(エタノール)１００重量部、バインダー（エチルセルロース）２重量部、分散剤(ポリオキシエチレンアルキルリン酸エステル)１重量部、消泡剤(ソルビタンセスキオレート)１重量部とを混合した後、十分撹拌してスラリーを調整した。スラリーコート法によりインターコネクターを成膜し、１３００℃で焼結させた。焼結後の厚みは４０μｍであった。
【００３９】
（実施例２）
固体電解質（第一の層）及び固体電解質（第二の層）及び固体電解質（第三の層）にＦｅ２Ｏ３を２ｗｔ％添加したこと以外、実施例１と同様にした。
【００４０】
（実施例３）
空気極触媒層の組成をＬａ０．９５Ｓｒ０．０５Ｎｉ０．５Ｆｅ０．５Ｏ３／９０ｍｏｌ％ＣｅＯ２-１０ｍｏｌ％Ｇｄ２Ｏ３＝５０／５０とし、固体電解質（第一の層）の組成を９０ｍｏｌ％ＣｅＯ２-１０ｍｏｌ％Ｇｄ２Ｏ３とし、固体電解質（第二の層）の組成を８９ｍｏｌ％ＺｒＯ２-１０ｍｏｌ％Ｓｃ２Ｏ３-１ｍｏｌ％ＣｅＯ２とし、固体電解質の焼成温度を１３５０℃としたこと以外、実施例１と同様にした。
【００４１】
（実施例４）
固体電解質（第一の層）及び固体電解質（第三の層）の組成を８５ｍｏｌ％ＺｒＯ２-１１ｍｏｌ％Ｓｃ２Ｏ３-４ｍｏｌ％ＣｅＯ２としたこと以外、実施例１と同様にした。
【００４２】
（実施例５）
固体電解質（第一の層）及び固体電解質（第三の層）の組成を８５ｍｏｌ％ＺｒＯ２-１０ｍｏｌ％Ｓｃ２Ｏ３-５ｍｏｌ％ＣｅＯとしたこと以外、実施例１と同様にした。
【００４３】
（実施例６）
固体電解質（第一の層）及び固体電解質（第三の層）の組成を２８６．９ｍｏｌ％ＺｒＯ２-１２ｍｏｌ％Ｙ２Ｏ３-１ｍｏｌ％Ｓｃ２Ｏ３-０．１ｍｏｌ％ＣｅＯ２としたこと以外、実施例１と同様にした。
【００４４】
（比較例１）
空気極触媒層の焼成温度を１４００℃とし、固体電解質の焼成温度を１５００℃とし、燃料極の焼成温度を１４００℃とし、インターコネクターの焼成温度を１４００℃としたこと以外、実施例１と同様にした。
【００４５】
（比較例２）
空気極の組成をＦｅが入っているＬａ０．９５Ｓｒ０．０５Ｎｉ０．５Ｆｅ０．５Ｏ３組成からＦｅが入っていないＬａ０．７５Ｓｒ０．２５ＭｎＯ３としたこと以外、実施例１と同様にした。
【００４６】
（格子定数測定）
実施例１、２、３、４、５、６及び比較例１、２で得られた固体酸化物形燃料電池セルの、燃料極が配置されていない露出部にある固体電解質の格子定数及び結晶相をリートベルト法により求めた。Ｘ線回折（ＸＲＤ）測定は、Ｘ線回折装置Ｘ’Ｐｅｒｔ ＰＲＯ ＭＰＤ（ＰＡＮａｌｙｔｉｃａｌ製）を用い、露出部の固体電解質の任意の５点について、測定範囲：１ｍｍ×１ｍｍ角、２θ＝２０〜８０°、ステップ幅：０．０５°、各ステップでの測定時間：４２４秒の条件で測定し、平均と標準偏差を求めた。またリートベルト法は、プログラムＲｉｅｔａｎ−２０００を用い、実施例１、２、３、４、５、６及び比較例１、２のＸＲＤパターンにおいて、立方晶の各ピークのカウント数が最大となる２θの値を用いて格子定数を決定した。
【００４７】
結晶相は、実施例１、２、３、４、５及び比較例１、２は立方晶であり、実施例６は立方晶のほかに菱面体晶が観察された。格子定数の平均値は、実施例１は０．５０９６１０ｎｍ、実施例２は０．５０９０３２ｎｍ、実施例３は０．５０９９６１ｎｍ、実施例４は０．５１０４０５ｎｍ、実施例５は０．５１０５７０ｎｍ、実施例６は０．５１５３５６ｎｍ、比較例１は０．５０７９４４ｎｍ、比較例２は０．５０９６１５ｎｍであった。標準偏差は、実施例１は０．００００３４、実施例２は０．００００８６、実施例３は０．００００５３、実施例４は０．００００６２、実施例５は０．００００４２、実施例６は０．００００６５、比較例１は０．００００５３、比較例２は０．００００７６であった。測定誤差は全ての実施例、全ての比較例で９×１０−９ｎｍ以下であった。
【表１】
【００４８】
（空気極の導電率評価）
実施例１及び比較例２について、空気極の導電率を評価するために以下のような実験を行なった。まず、各実験用試料の作製方法について以下に記載する。
【００４９】
（実施例１ａ）
空気極は、Ｌａ０．９５Ｓｒ０．０５Ｎｉ０．５Ｆｅ０．５Ｏ３組成で表され、共沈法で作製後熱処理して空気極原料粉末を得た。押出成形法によって円筒状成形体を作製した。さらに、１５００℃で焼結を行い、円筒型空気極とした。前記円筒型空気極を実験用試料とした。
【００５０】
（比較例２ａ）
空気極は、Ｌａ０．７５Ｓｒ０．２５ＭｎＯ３組成で表され、共沈法で作製後熱処理して空気極原料粉末を得た。押出成形法によって円筒状成形体を作製した。さらに、１５００℃で焼結を行い、円筒型空気極とした。前記円筒型空気極を実験用試料とした。
【００５１】
実施例１ａ及び比較例２ａの導電率について、次のように評価した。まず作製した実験用試料の両端表面にＰｔペーストを円周方向に一周塗布し、乾燥させて電流用電極とした。次に電流用電極から５ｍｍ距離をとった内側にＰｔペーストを円周方向に一周塗布し、乾燥させて電圧用電極とした。前記電流用電極上及び電圧用電極上にφ５ｍｍのＰｔ線を円周方向に一周巻きつけ、Ｐｔペーストを塗布し、乾燥後、１０００℃、１時間で焼付けることで電流端子及び電圧端子を取り付けた。前記実験用試料を９００℃、大気雰囲気の条件下にて、直流４端子法による導電率測定を行ない、（４）式より導電率を算出した。
σe＝L／A×（V／I） ・・・（４）
ここで、σeは導電率、Lは電位端子間距離、Aは試料の断面積、Vは電位、Iは電流を示す
。
【００５２】
導電率評価結果を表２に示す。表２より実施例１ａは比較例２ａに比べ導電率が２倍以上であることが確認された。導電率が高いほどインターコネクタを経由して流れてくる電子を効率よく空気極の円周方向に流すことができるので、出力性能に優れる、特には電流量の多くなる高電流密度領域での出力性能を向上させた固体酸化物形燃料電池セルを提供することができる。
【表２】
【００５３】
（粉末化の評価）
実施例１、２、３、４、５、６及び比較例１で得られた固体酸化物形燃料電池セルを用いて、温度：９００℃、燃料：Ｈ２＋３％Ｈ２Ｏ、酸化剤：空気、電流密度：０．２Ａ/ｃｍ２の条件で２００時間の発電試験を行った。発電試験後の固体酸化物形燃料電池セルの、燃料極が配置されていない露出部にある固体電解質の外観を室内で目視観察することによって、粉末化の評価を行った。実施例１、２、３、４、５、６では粉末化が見られなかった。比較例１は、露出部にある固体電解質の全域で粉末化が見られた。
【００５４】
すなわち、露出部の固体電解質の格子定数が、比較例１における平均値に標準偏差を足した値である０．５０７９９７ｎｍを超える場合は粉末化が見られなかった。また、実施例１、２、３、４、５、６のうち実施例６の露出部の固体電解質の格子定数が最大であり、実施例６における平均値に標準偏差を足した値である０．５１５４２１ｎｍ以下の場合に粉末化が見られなかった。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】円筒縦縞型の固体酸化物形燃料電池の断面を示す図である。
【符号の説明】
【００５６】
１…空気極
２…インターコネクター
３…固体電解質
４…燃料極
５…固体電解質の露出部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｆｅを含むペロブスカイト型酸化物である空気極と、
前記空気極に配置される空気極触媒層と、
前記空気極触媒層に配置される固体電解質と、
前記固体電解質に配置される燃料極と、を備え、
前記空気極触媒層は少なくともＦｅを含むペロブスカイト型酸化物を有し、
前記固体電解質は少なくともＳｃＳＺを含有する固体酸化物形燃料電池セルであって、
前記固体電解質は前記燃料極が配置されていない露出部を備え、
前記露出部にはＳｃＳＺが含有され、
前記露出部のＳｃＳＺはリートベルト法で測定し、格子定数が０．５０７９９７ｎｍを超える部分を備えることを特徴とする
固体酸化物形燃料電池セル。
【請求項２】
前記露出部のＳｃＳＺの格子定数が０．５１５４２１ｎｍ以下である部分を備えることを特徴とする、請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池セル。
【請求項３】
前記露出部のＳｃＳＺにＹ２Ｏ３をドープさせたことを特徴とする請求項１または２に記載の固体酸化物形燃料電池セル。
【請求項４】
Ｆｅを含むペロブスカイト型酸化物である空気極を得る工程と、
前記空気極に、少なくともＦｅを含むペロブスカイト型酸化物を有する空気極触媒層を適用して焼成する工程と、
焼成後の前記空気極触媒に、少なくともＳｃＳＺを含有する固体電解質を適用して焼成する工程と、
焼成後の前記固体電解質に、燃料極が配置されていない固体電解質の露出部を備えるように燃料極を適用して焼成する工程と、
前記露出部にはＳｃＳＺが含有され、
前記露出部のＳｃＳＺはリートベルト法で測定し、格子定数が０．５０７９９７ｎｍを超える部分を備えることを特徴とする
固体酸化物形燃料電池セルの製造方法。
【請求項１】
Ｆｅを含むペロブスカイト型酸化物である空気極と、
前記空気極に配置される空気極触媒層と、
前記空気極触媒層に配置される固体電解質と、
前記固体電解質に配置される燃料極と、を備え、
前記空気極触媒層は少なくともＦｅを含むペロブスカイト型酸化物を有し、
前記固体電解質は少なくともＳｃＳＺを含有する固体酸化物形燃料電池セルであって、
前記固体電解質は前記燃料極が配置されていない露出部を備え、
前記露出部にはＳｃＳＺが含有され、
前記露出部のＳｃＳＺはリートベルト法で測定し、格子定数が０．５０７９９７ｎｍを超える部分を備えることを特徴とする
固体酸化物形燃料電池セル。
【請求項２】
前記露出部のＳｃＳＺの格子定数が０．５１５４２１ｎｍ以下である部分を備えることを特徴とする、請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池セル。
【請求項３】
前記露出部のＳｃＳＺにＹ２Ｏ３をドープさせたことを特徴とする請求項１または２に記載の固体酸化物形燃料電池セル。
【請求項４】
Ｆｅを含むペロブスカイト型酸化物である空気極を得る工程と、
前記空気極に、少なくともＦｅを含むペロブスカイト型酸化物を有する空気極触媒層を適用して焼成する工程と、
焼成後の前記空気極触媒に、少なくともＳｃＳＺを含有する固体電解質を適用して焼成する工程と、
焼成後の前記固体電解質に、燃料極が配置されていない固体電解質の露出部を備えるように燃料極を適用して焼成する工程と、
前記露出部にはＳｃＳＺが含有され、
前記露出部のＳｃＳＺはリートベルト法で測定し、格子定数が０．５０７９９７ｎｍを超える部分を備えることを特徴とする
固体酸化物形燃料電池セルの製造方法。
【図１】
【公開番号】特開２０１０−１０８６９７（Ｐ２０１０−１０８６９７Ａ）
【公開日】平成２２年５月１３日（２０１０．５．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２７８３３０（Ｐ２００８−２７８３３０）
【出願日】平成２０年１０月２９日（２００８．１０．２９）
【出願人】（００００１００８７）ＴＯＴＯ株式会社 (3,889)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年５月１３日（２０１０．５．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１０月２９日（２００８．１０．２９）
【出願人】（００００１００８７）ＴＯＴＯ株式会社 (3,889)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]